Kaibel分壁精馏塔分离芳烃的稳态和动态模拟

2015年4月CIESCJournalApril2015第66卷第4期化工学报Vol.66No.4Kaibel分壁精馏塔分离芳烃的稳态和动态模拟蔺锡钰，吴昊，沈本贤，凌昊（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海200237）摘要：Kaibel分壁精馏塔（Kaibeldivided-wallcolumn，KDWC）可在一个塔内实现四组分混合物的高纯度分离。本文以分离苯、甲苯、二甲苯和均三甲苯为研究对象，建立了KDWC严格稳态模型，获得了优化的塔体结构。通过研究KDWC分离17组进料组成的基础上，获得了KDWC的稳态分离的初步规律：实现KDWC的高纯度分离，既需要通过分液比控制预分馏段顶部馏出气相中的二甲苯含量，又需要通过分气比控制预分馏底部馏出液相中甲苯含量；两个侧线的组成中，重组分杂质的含量要远多于轻组分杂质的含量；中间组分甲苯在预分馏段仍有返混。随后，在AspenDynamic环境下建立了KDWC的组分控制模型，控制结果表明该模型可以应对±10%的流量和进料组成波动，但二甲苯产品纯度会出现少量偏差。关键词：Kaibel分壁精馏塔；芳烃；蒸馏；分离；稳态；动态控制；模拟DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20141611中图分类号：TQ202文献标志码：A文章编号：0438—1157（2015）04—1353—10Steady-statebehaviorandcontrolofKaibeldivided-wallcolumnforaromaticsseparationLINXiyu,WUHao,SHENBenxian,LINGHao(StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)Abstract:Kaibeldivided-wallcolumn(KDWC)permitsseparationofafour-componentmixtureintofourpurefractionsinadivided-wallcolumn.Thisworkstudiedseparationofafour-componentmixtureofbenzene,toluene,o-xyleneandtri-methyl-benzeneinaKDWC.TheoptimumeconomicdesignoftheKaibeldivided-wallcolumnwasobtained.ThenseventeencasesofvariousfeedcompositionswereinvestigatedforobtainingthesteadystatebehavioroftheKDWC.Xyleneshouldbecontrolledatthetopoftheprefractionator,whiletolueneshouldbecontrolledatthebottomoftheprefractionator;thecontentofheavyimpuritieswasmuchlargerthanthatofthelightimpuritiesinthetwosidestreams;theintermediatecomponent,toluenere-mixedintheprefractionator.Atlast,acontrolstructurewithfivecompositioncontrolloopswasestablished.Simulationshowedthatitcouldhandle±10%disturbancesofflowrateandfeedcomposition,butthepurityofxylenesometimeshadsmalldeviations.Keywords:Kaibeldivided-wallcolumn;aromatics;distillation;separation;steady-state;dynamiccontrol;simulation2014-10-27收到初稿，2014-12-31收到修改稿。联系人：凌昊。第一作者：蔺锡钰（1989—），男，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（21476081)；中央高校基本科研业务费专项资助项目；上海市教育委员会科研创新重点项目（14ZZ058）。Receiveddate:2014-10-27.Correspondingauthor:LINGHao,[e-mail]:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(21476081),theFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversitiesofMinistryofChinaandShanghaiMunicipalEducationCommission(14ZZ058).化工学报第66卷·1354·引言分壁式精馏塔（divided-wallcolumn,DWC）也叫全热耦合精馏塔，可以高纯度地分离三组分和四组分混合物，相比常规两塔和三塔的分离方式可以节省能耗30%以上[1]。在常规的两塔分离三组分混合物（A,B,C）的直接序列（DS）过程中，轻组分A在第1个精馏塔塔顶馏出，中间组分B和重组分C在塔底馏出。在多数三组分混合物的分离过程中，中间组分B会在第1个精馏塔靠近塔釜的塔板上浓度达到昀大值，然后逐渐下降。这一热力学损失现象在常规的精馏塔分离三组分混合物的过程中无法避免，DWC是解决这一问题的良好途径[2-4]。目前，关于分离三组分的分壁式精馏塔的研究非常广泛，国外工业应用也趋于成熟。Skogestad等首次对DWC的动态控制进行了研究，提出了以分液比作为调控变量的四点控制法[5]；通过研究恒定相对挥发度的虚拟系统，发现在预分馏塔中应尽量避免重组分从塔顶移出[6]。Abdul等[7]在研究相同体系中首次使用温度代替组分作为控制变量，提出温度控制结构。Serra等[8]研究了3个具有不同相对挥发度的系统，比较PID和动态矩阵控制，发现PID控制能提供更好的动态控制。Ling等[9-11]以苯、甲苯和二甲苯三元体系作为研究对象，使用AspenPlus构建严格精馏模型，利用4个精馏模块模拟DWC，分别采用组分控制、温度控制和温差控制结构对DWC进行测试，发现组分控制可以很好地应对组分组成和进料流量组成波动。许锡恩等[12]对三相热耦合精馏过程进行了模拟，并对具有双液相的精馏过程的数学模型予以修正。袁希钢等[13-14]针对热耦合精馏所需塔段数目以及冷凝器和再沸器数目的不确定性，提出了分解求解策略和编码表达法，使流程结构的描述和优化变得更加简便。曲平等[15]以丁二烯分离装置为对象，对热耦合精馏用于非理想的操作特性和节能效果进行了模拟和研究。孙兰义等对分壁精馏塔反应精馏水解醋酸甲酯的控制及空分应用性能做了详细的研究[16-18]，昀近在反应精馏塔的设计和应用取得了很多成绩[19-20]。裘兆蓉等[21-23]对分壁精馏塔开展了大量的稳态实验和模拟研究，采用分壁精馏塔分离裂解汽油、萃取精馏制无水乙醇和无水叔丁醇均取得了满意的效果。Huang等[24-26]近几年对分壁精馏塔操作过程的“黑洞”现象、温度和温差过程控制也开展了大量研究，取得了诸多成果。杨剑等[27]通过串联常规塔和分壁精馏塔实现了芳烃四组分混合物的高纯度分离，并实现了组分控制结构对进料流量和组成10%波动的平稳控制。虽然上述方法很好地解决了三组分分壁精馏塔分离过程的稳态和动态问题，然而针对更为复杂的四元混合物的分壁精馏塔精馏体系的工作尚需进一步研究。1987年Kaibel[28]提出在单个分壁精馏塔（Kaibeldivided-wallcolumn,KDWC）中可以实现四组分混合物的清晰分割，但在随后的20多年来很少有文献报道。Skogestad课题组[29-32]首次采用Matlab研究了非严格精馏模型的四组分分壁精馏塔的分离过程的稳态和动态过程，开创了此方面学术研究的先河。KDWC用于设计和操作使用的有5个自由度，分别是：回流量R，再沸器负荷QR，上侧线流量S1，下侧线流量S2和分液比βL。这5个可以控制的自由度可以用来操控5个变量，其中4个产品的浓度是必须要被控制的，而第5个自由度βL可以实现能耗优化目的。通过对甲醇、乙醇、丙醇和正丁醇的模拟和24块理论板（高8m，直径50mm）的小试实验，他们发现4×4的PID温度控制回路的各温度点和Matlab模拟温度接近，实现了KDWC的平稳控制，但侧线产品纯度昀高仅达到88%（摩尔分数），无法达到高纯度分离的要求。在模拟方面，该课题组研究发现分气比βV对于能耗的影响是十分敏感的，在他们的研究中，常用βV代替βL作为一个潜在的自由度。Dejanović等[33]对KDWC分离多组分混合物进行模拟研究，将十五组分芳烃混合物分离成4种给定的产品组成，模拟结果显示可以节省年总投资（TAC）40.1%。此外，AkzoNobel公司的Kiss等[34]进行了正戊烷-苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯体系的分离研究，分离目标为99.5%（质量分数）以上。本文研究KDWC分离苯-甲苯-二甲苯-均三甲苯（BTXH；benzene，B；toluene，T；o-xylene，X；1,3,5-trimethylbenzene，H）四组分混合物的稳态和动态分离过程。首先，通过AspenPlus中的RadFrac模块建立了KDWC的稳态严格精馏模型，通过经济优化获得了优化的塔体结构；随后考察了17种进料组成、不同βV和βL以及KDWC内部关键塔板的气液相组成的关系，获得了KDWC的稳态分离的初步规律；昀后建立了KDWC的浓度控制模型，考察±10%的流量和进料组成波动时控制效果。第4期蔺锡钰等：Kaibel分壁精馏塔分离芳烃的稳态和动态模拟·1355·1稳态模拟1.1稳态设计以BTXH四组分混合物作为研究对象，其沸点分别为353、385、419和437K，相对挥发度αB/αT/αX/αH约为17.0/6.51/2.76/1。进料流量为1kmol·s−1，进料温度为351K，四组分混合物等摩尔进料。产品纯度要求为99%（摩尔分数）。物性方法为Chao-Seader。采用AspenPlus中的RadFrac模块，KDWC是利用一个提馏塔（只有一个再沸器），两个平行的吸收塔（无再沸器和冷凝器）和一个精馏塔（只有一个冷凝器）搭建而成。与以往分离三组分混合物的DWC相比，KDWC多了一个侧线抽出。图1是以昀小年总投资（TAC）为目标优化得到的昀优塔体结构。年总投资（TAC）同时考虑到了能耗与设备投资这两方面因素[35]。可以用来优化年总投资（TAC）的变量有：四段塔的塔板数、进料位置、两条侧线的出料位置、分液比βL和分气比βV。在KDWC中，隔板左侧的预分馏段塔板数与隔板右侧的侧线出料段塔板数相同。图1中模拟塔顶压力为101325Pa（1atm），板压降设定为689Pa（0.0068atm）。优化后的KDWC共83块理论板。在AspenPlus中，冷凝器为第1块塔板，再沸器为第83块塔板。KDWC精馏段是从第2块塔板到第11块塔板。预分馏段和侧线出料段是从第12块塔板到第59块塔板。提馏段是从第60块塔板到第82块塔板。进料位置在隔板预分馏侧第30块板，上下侧线的出料位置分别在隔板侧线出料侧第19、第34块板。操作参数为：回流比6.67，再沸器负荷69.93MW，βL为0.257，βV为0.586。全塔直径为10.8m。而用常规精馏方法分离四组分至少需要3个精馏塔，有两种序列，即直接序列（DS）和间接序列（IS），本文使用直接序列分离流程与KDWC进行比较，流程如图2所示。表1给出KDWC结